CN107688215A - 一种波分复用单纤双向数据收发模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波分复用单纤双向数据收发模块，包括：波分复用模块、激光器阵列、光探测器阵列和光环行器；激光器阵列与波分复用模块的第一输入端对准耦合，光探测器阵列与波分复用模块的第二输出端对准耦合；光环行器的第一端与波分复用模块的第一输出端相连，光环行器的第三端与波分复用模块的第二输入端相连，光环行器的第二端作为光环行器的输入输出端用于连接外部的传输光纤；波分复用模块用于将激光器阵列发射的多波长光信号进行复用以及将从单光纤头处传来待接收的多波长光信号进行解复用；光环行器中光信号只能沿着第一端、第二端和第三端的顺序进行单向传输。本发明可实现单纤双向传输，用于数据中心的高速光纤互连。
Description
技术领域
本发明属于互联网数据中心或者超级计算机领域，更具体地，涉及一种波分复用单纤双向数据收发模块。
背景技术
随着互联网应用行业的飞速发展，数据中心的规模急剧膨胀，在数据中心的服务器之间，需要大量高速的数据交换，传统的电缆已经不能满足这种高速互连的需求，光纤互连技术已经成为大型数据中心的必选。
在互联网数据中心，最早的光纤互连技术方案是基于多模光纤的多纤并行传输技术，这种方案的优点是成本低廉，因此得到广泛的应用。然而，多模光纤中存在严重的模间色散问题，多模传输只能达到数十米的距离，而数据中心的规模不断膨胀，对互连距离的要求越来越高，单模传输方案应运而生。与单模传输同时被引进数据中心的还有波分复用技术，可减少所需光纤数量。
与电信网应用热衷的DWDM(密集波分复用)技术不同，在数据中心应用中，为了降低成本，一般采用CWDM(粗波分复用)技术。早期的CWDM技术方案是基于分立元器件的，以多个薄膜滤光片构成CWDM波分复用器。为了进一步缩小光纤收发模块的尺寸，人们开发了基于集成光学技术的CWDM波分复用器。
基于单模光纤传输和CWDM技术的光纤收发模块，需要两根光纤进行数据传输，一收一发。然而，数据中心的光纤资源非常有限，进一步提出了单纤双向传输的需求，人们希望将光环行器整合到光纤收发模块中。现有的光环行器都是带尾纤的，在光纤收发模块中需要进行熔纤和绕纤处理，不利于模块的小型化。同时，由于光环行器中采用了波长相关性很强的法拉第旋光片和半波片，工作带宽一般限于中心±20nm范围，不能覆盖4个波长CWDM传输所需波长范围。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种波分复用单纤双向数据收发模块，其目的在于将波分复用模块与光环行器混合集成实现模块小型化以及将工作带宽提高至满足4个波长CWDM传输。
本发明提供了一种波分复用单纤双向数据收发模块，包括：波分复用模块、激光器阵列、光探测器阵列和光环行器；激光器阵列与波分复用模块的第一输入端对准耦合，光探测器阵列与所述波分复用模块的第二输出端对准耦合；光环行器的第一端与所述波分复用模块的第一输出端相连，光环行器的第三端与波分复用模块的第二输入端相连，光环行器的第二端作为光环行器的输入输出端用于连接外部的传输光纤；激光器阵列用于发射多个波长的光信号；光探测器阵列用于接收多个波长的光信号；波分复用模块用于将所述激光器阵列发射的多波长光信号进行复用以及将从单光纤头处传来待接收的多波长光信号进行解复用；光环行器中光信号只能沿着第一端、第二端和第三端的顺序进行单向传输，反向传输的光信号将被隔离。
更进一步地，波分复用模块包括：波分复用器、波分解复用器、第一双芯波导转换片和第二双芯波导转换片；波分复用器的输入端作为波分复用模块的第一输入端，第一双芯波导转换片的一端与所述波分复用器的输出端连接，第一双芯波导转换片的另一端作为所述波分复用模块的第一输出端；第二双芯波导转换片的一端作为波分复用模块的第二输入端，第二双芯波导转换片的另一端与波分解复用器的输入端连接，波分解复用器的输出端作为波分复用模块的第二输出端；波分复用器将激光器阵列发射的多个波长的光信号进行复用，复用后的光信号输出进入第一双芯波导转换片；来自传输光纤的多波长光信号经第二双芯波导转换片后输入至波分解复用器，波分解复用器对接收到的光信号进行解复用。本发明通过双芯波导转换片的衔接作用，将集成光学技术的波分复用模块和分立元件技术光环行器混合集成在一个光纤收发模块中，实现收发模块的小型化设计。
更进一步地，第一双芯波导转换片和第二双芯波导转换片均采用弯曲光纤定位槽来实现固定，并对第一双芯波导转换片的另一端和第二双芯波导转换片的一端均进行热扩芯处理，增大纤芯直径从而增加输出光斑尺寸。本发明采用弯曲光纤定位槽来固定两根光纤，或者采用集成光学技术制作两条弯曲波导；左侧波导间距大而右侧波导间距小，右侧端作光纤热扩芯处理或者波导锥形化处理，扩大波导芯径，增加输出光斑直径。
更进一步地，光环行器包括：第一准直透镜、第一位移晶体、第一偏振转换组件、渥拉斯顿棱镜、第二偏振转换组件、第二位移晶体、第二准直透镜和单光纤头；由第一端接收的发散光束被所述第一准直透镜准直后入射至第一位移晶体；随机偏振的入射光束被第一位移晶体分成两束正交偏振光：在晶体内部称为o光和e光，在晶体外部称为s光和p光，s光和p光经过第一偏振转换组件后，其中s光被旋转为p光，p光则保持偏振态不变，此时两束光变换为相同偏振的p光；两束稍向右下倾斜的p光经渥拉斯顿棱镜变换为水平方向传输，入射在第二偏振转换组件中，其中一束p光变换为s光，另一束p光则保持偏振态不变；两束正交偏振的s光和p光，水平入射在第二位移晶体上并分别成为o光和e光，且被第二位移晶体重新合为一束随机偏振光；合束后的随机偏振光束被第二准直透镜聚焦并耦合进入右侧单光纤头实现第一端口至第二端口的传输；从单光纤头入射的待接收信号依次经过第二准直透镜、第二位移晶体、第二偏振转换组件、渥拉斯顿棱镜、第一偏振转换组件、第一位移晶体和第一准直透镜后输出至第三端口；第三端口稍向下偏离第二准直透镜的轴线，接收稍向左下倾斜入射在第一准直透镜上的光束，实现了第二端口至第三端口的传输。本发明中的光环行器通过对输入输出波导端的光纤热扩芯处理或者波导锥形化设计，光环行器中可采用更短的位移晶体，缩小了光环行器的尺寸，从而进一步缩小了光纤收发模块的尺寸。
更进一步地，第一偏振转换组件和第二偏振转换组件结构相同，第一偏振转换组件的总和旋光角呈现双峰型曲线。
更进一步地，第一偏振转换组件包括：第一半波片、第二半波片和法拉第旋光片；第一半波片和所述第二半波片的快轴方向与水平方向夹角分别为157.5°和67.5°，所述旋光片的旋光角度为45度。本发明通过对偏振变换组件的优化设计，扩展了光环行器的工作带宽，可覆盖4个波长CWDM传输带宽。
更进一步地，渥拉斯顿棱镜为一对光轴相互垂直的直角棱镜。
更进一步地，第一位移晶体和第二位移晶体结构相同，均为斜方体棱镜。
更进一步地，对所述单光纤头的端头进行热扩芯处理，使得第二准直透镜的聚焦光斑能有效的耦合至所述单光纤头中。
本发明提出了一种混合集成、结构紧凑的光纤收发模块，可实现单纤双向传输；通过创新结构的双芯波导转换片及相应的光环型参数优化，实现光环行器的小型化设计；通过创新设计的偏振转换组件，对光环型的工作带宽进行了拓展，满足4个波长CWDM传输需求。实现一种波分复用单纤双向传输的光纤收发模块，可用于数据中心的高速光纤互连。
附图说明
图1为波分复用单纤双向收发模块的功能示意图；
图2为本发明的波分复用单纤双向收发模块的结构；其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图3为集成光学技术的CWDM芯片端口示意图；
图4为本发明设计的双芯波导转换片；
图5为本发明的小型化CWDM光环行器结构及端口④→①→②光路；其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图6为本发明的小型化CWDM光环行器结构及端口②→③→⑤光路；其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图7为作为光环行器端口②的单光纤头结构；
图8为位移晶体的结构和偏振分光功能；
图9为渥拉斯顿棱镜的结构和光束偏折功能；其中，(a)为p光向右上方向倾斜入射，(b)为s光向右下方向倾斜入射；
图10为偏振转换组件的结构及功能；其中，(a)为结构图，(b)为正向线偏振光通过组件，(c)为反向线偏振光通过组件；
图11为光环行器的单峰型和双峰型隔离度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种波分复用单纤双向数据收发模块，主要应用于互联网数据中心或者超级计算机系统中。针对数据中心的应用需求，本发明提供的基于CWDM和单纤双向传输技术的数据收发模块将CWDM复用/解复用器与光环行器混合集成在一起，实现模块的小型化。同时，对其中的光环行器进行优化设计，提高了光纤收发模块的工作带宽，满足4个波长CWDM传输的需求。
在本发明中，波分复用单纤双向收发模块包括一个波分复用模块、一个CWDM光环行器、一个激光器阵列和一个光探测器阵列。其中波分复用模块由两个集成光学技术的CWDM芯片和一个双芯波导转换片组成，第一CWDM芯片的左侧与激光器阵列中的TO封装激光器逐个耦合，第二CWDM芯片的左侧与光探测器阵列中的TO封装探测器逐个耦合，两个CWDM芯片的右侧与双芯波导转换片耦合。双芯波导转换片实现两根波导间距的转换，左侧间距与两个CWDM芯片的端口间距相同，右侧间距则尽量缩小，只要两根波导之间不产生串扰即可。双芯波导转换片的右侧两个端口，分别作为CWDM光环行器的输入端①和输出端③。
其中，CWDM光环行器包括：两个准直透镜、两个位移晶体、两个偏振转换组件、一个渥拉斯顿棱镜和一个单光纤头。从双芯波导转换片右侧第一端口输入的发散光束，首先被第一准直透镜准直，由于第一端口稍向上偏离第一准直透镜的轴线，准直光束以小角度向右下倾斜入射第一位移晶体；入射光束是随机偏振的，被第一位移晶体分成两束正交偏振光：在晶体内部称为o光和e光，在晶体外部称为s光和p光，s光和p光经过第一偏振转换组件，其中的s光被旋转为p光，p光则保持偏振态不变，此时两束光变换为相同偏振的p光；两束稍向右下倾斜的p光，经渥拉斯顿棱镜变换为水平方向传输，入射在偏振转换组件中，其中一束p光变换为s光，另一束p光则保持偏振态不变；两束正交偏振的s光和p光，水平入射在第二位移晶体上，分别成为o光和e光，被第二位移晶体重新合为一束随机偏振光；合束后的随机偏振光束，被第二准直透镜聚焦，并耦合进入右侧单光纤头，实现光信号的发射。
待接收的光信号从右侧光纤头输入，经第二准直透镜准直后，水平入射在第二位移晶体上，随机偏振的入射光被分为正交偏振的o光和e光(在晶体外部分别称为s光和p光)；两束光经过第二偏振转换组件，其中的p光变换为s光，s光保持偏振态不变，此时两束光变换为相同偏振的s光；两束水平方向的s光入射在渥拉斯顿棱镜上，方向被偏转，以小角度向左下倾斜；左下倾斜的两束s光经第一偏振转换组件变换，其中一束s光被变换为p光，另一束s光则保持偏振态不变；两束正交偏振的p光和s光，被第一位移晶体重新合为一束随机偏振光；此时光束方向仍保持为小角度向左下倾斜，被第一准直透镜聚焦并耦合到双芯波导转换片右侧第二端口；第二端口稍向下偏离第二准直透镜的轴线，因此能够很好的接收稍向左下倾斜入射在第一准直透镜上的光束。
光环行器是一种三端口光器件，光信号只能①→②→③单向传输。在单向双向传输应用中，端口①输入待发射的光信号，从端口②输出；端口②同时接收光信号，从端口③输出并进行信号检测。双芯波导转换片是波分复用模块的一部分，其左侧两个端口分别与两个CWDM芯片耦合对接，则右侧第一和第二端口分别作为光环行器的端口①和③。通过双芯波导转换片的设计，本发明实现集成光学技术的波分复用模块与分立器件技术的光环行器的混合集成，利于整个光纤收发模块的小型化。
为了进一步缩小光纤收发模块的尺寸，本发明进一步对光环行器进行小型化设计。光环行器小型化的关键是压缩其中位移晶体的长度，位移晶体的长度受限于光路中的准直光斑尺寸，而准直光斑尺寸取决于入射光波导中的光斑尺寸，此处入射光波导为双芯波导转换片右侧端口。双芯波导转换片可以采用弯曲光纤定位槽来固定两根光纤，并对光纤右侧端口作热扩芯处理，增大纤芯直径，从而增加输出光斑尺寸；或者采用集成光学技术制作两条弯曲波导，波导右侧端口作锥形处理，增大波导芯径，从而增加输出光斑尺寸。根据透镜对高斯光束的变换原理，入射波导中的光斑尺寸增加，准直光斑尺寸将减小，因此光环行器中可以采用更短的位移晶体，实现小型化设计，利于进一步缩小光纤收发模块的尺寸。为了保证第二准直透镜的聚焦光斑能有效的耦合到右侧单光纤头中，单光纤头的端头也要相应的作热扩芯处理。
光环行器中的偏振转换组件由一片法拉第旋光片和两片半波片组成，这两种光学元件均具有很强的波长相关性，其中法拉第旋光片对中心波长能准确的非互易旋光45度角，偏离中心波长则产生旋光角误差；半波片对中心波长是准确的半波片，能够产生互易旋光45度角，偏离中心波长也会产生旋光角误差。由于偏振转换组件的波长相关性，光环行器的隔离度呈现单峰型的波长相关性，对中心波长具有很高的隔离度，偏离中心波长则隔离度迅速下降，影响光环行器的工作带宽。这种常规光环行器的工作带宽，一般只有中心波长±20nm，不能满足4个波长CWDM传输所需的80nm带宽要求。
本发明对光环行器中的偏振转换组件进行改进设计，具体而言，其中的法拉第旋光片保持对中心波长非互易旋光45度角，而半波片则对偏离中心波长的另一个波长进行优化设计，使偏振转换组件的总和旋光角呈现双峰型曲线，从而让光环行器在更宽的波段呈现高隔离度，拓展工作带宽。
综上所述，本发明提出了一种混合集成、结构紧凑的光纤收发模块技术方案，可实现单纤双向传输；通过创新结构的双芯波导转换片及相应的光环型参数优化，实现光环行器的小型化设计；通过创新设计的偏振转换组件，对光环型的工作带宽进行了拓展，满足4个波长CWDM传输需求。实现一种波分复用单纤双向传输的光纤收发模块，可用于数据中心的高速光纤互连。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提出了一种波分复用单纤双向数据收发模块，将CWDM复用/解复用器与光环行器混合集成，实现模块的小型化设计；同时，对光环行器中波长相关性很强的偏振转换单元进行优化设计，提高模块的工作带宽，满足4个波长CWDM传输需求。
图1为波分复用单纤双向收发模块的功能示意图，它包括波分复用模块、激光器阵列3、光探测器阵列4和光环行器6；激光器阵列3与波分复用器1的输入端对准耦合，光探测器阵列4与波分解复用器2的输出端对准耦合；光环行器6的端口①与波分复用器1的输出端④通过双芯波导转换片5的第一根波导51相连，端口③与波分解复用器2的输入端⑤通过双芯波导转换片5的第二根波导52相连，端口②连接至传输光纤。
激光器阵列3用于发射多个波长的光信号，光探测器阵列4用于接收多个波长的光信号；波分复用器1和波分解复用器2结构相同，分别用于将激光器阵列3发射的多波长光信号进行复用以及将从单光纤头处传来待接收的多波长光信号进行解复用；双芯波导转换片5用于实现两根波导间距的转换；光环行器6是一种三端口器件，光信号只能沿着端口顺序①→②→③单向传输，反向传输的光信号将被隔离。
激光器阵列3发射多个波长的光信号，波分复用器1接收并对多个波长的光信号进行复用处理后从端口④输出一束光信号，经双芯波导转换片5的第一根波导51后由光环行器6的端口①接收该光信号并从光环行器6端口②输出后由传输光纤进行传输；来自传输光纤的待接收的多个波长的光信号，从光环行器6的端口②输入，从端口③输出，经双芯波导转换片5的第二根波导52后从端口⑤输入由波分解复用器2进行解复用，再被光探测器阵列4接收。
图2为本发明的波分复用单纤双向收发模块的结构，波分复用模块包括：波分复用器1、波分解复用器2和双芯波导转换片5。波分复用器1用于将激光器阵列3发射的多个波长的光信号进行复用，复用后的光信号从端口④输出进入双芯波导转换片5的第一根波导51；来自传输光纤的多波长光信号经双芯波导转换片5的第二根波导52后从端口⑤输入至波分解复用器2，波分解复用器2用于将从端口⑤接收到的光信号进行解复用；双芯波导转换片5用于实现两根波导间距的转换，其左侧端口④与波分复用器1进行耦合对接，其左侧端口⑤与波分解复用器2进行耦合对接，其右侧两个端口分别作为光环行器6的端口①和端口③，由此来实现集成光学技术的波分复用模块与分立器件技术的光环行器的混合集成。
与电信网中的波分复用技术不同，数据中心对成本更敏感，因此采用的是CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexer粗波分复用)传输技术。此处选用两个CWDM芯片来实现两个波分复用器的功能，在CWDM系统中，波长间隔达到20nm，人们可以采用波长和功率稳定性稍差、而成本低得多的FP激光器，并且对波分复用/解复用滤波器的技术要求也低得多，进一步降低成本。
光环行器6包括：第一准直透镜61、第一位移晶体62、第一偏振转换组件63、渥拉斯顿棱镜64、第二偏振转换组件65、第二位移晶体66、第二准直透镜67和单光纤头68。经端口①输入的发散光束，先被第一准直透镜61准直，由于端口①稍向上偏离第一准直透镜61的轴线，准直光束以小角度向右下倾斜入射第一位移晶体62；入射光束是随机偏振的，被第一位移晶体62分成两束正交偏振光：在晶体内部称为o光和e光，在晶体外部称为s光和p光，s光和p光经过第一偏振转换组件63，其中s光被旋转为p光，p光则保持偏振态不变，此时两束光变换为相同偏振的p光；两束稍向右下倾斜的p光，经渥拉斯顿棱镜64变换为水平方向传输，入射在第二偏振转换组件65中，其中一束p光变换为s光，另一束p光则保持偏振态不变；两束正交偏振的s光和p光，水平入射在第二位移晶体66上，分别成为o光和e光，被第二位移晶体66重新合为一束随机偏振光；合束后的随机偏振光束，被第二准直透镜67聚焦，并耦合进入右侧单光纤头68，实现端口①至端口②的传输。而从单光纤头68入射的待接收信号依次经过第二准直透镜67、第二位移晶体66、第二偏振转换组件65、渥拉斯顿棱镜64、第一偏振转换组件63、第一位移晶体62和第一准直透镜61后输出至端口③；端口③稍向下偏离第二准直透镜67的轴线，因此能够很好的接收稍向左下倾斜入射在第一准直透镜61上的光束，实现端口②至端口③的传输。
CWDM芯片结构如图3所示(以第二CWDM芯片2为例)，左侧多个端口21为波分端口，右侧单个端口22为公共端口。CWDM芯片用作波分复用器时，多路不同波长的光信号从波分端口输入，从公共端口输出；CWDM芯片用作波分解复用器时，多波长光信号从公共端口输入，各波长被分开，从波分端口输出。
双芯波导转换片5的结构如图4所示，它可实现两根波导间距的转换，左侧间距与两个CWDM芯片的端口间距相同，右侧间距则尽量缩小，只要两根波导之间不产生光信号串扰即可。双芯波导转换片可以采用弯曲光纤定位槽来固定两根光纤，并对光纤右侧端口作热扩芯处理，增大纤芯直径，从而增加输出光斑尺寸；或者采用集成光学技术制作两条弯曲波导，波导右侧端口作锥形化设计，增大波导芯径，从而增加输出光斑尺寸。双芯波导转换片右侧端口处的热扩芯处理或者锥形化设计区域，如图中位置53所示。
在波分复用模块中，CWDM芯片1左侧的波分端口与激光器阵列3对准耦合，CWDM芯片2左侧的波分端口与光探测器阵列4对准耦合，两个CWDM芯片右侧的两个公共端口④、⑤分别与双芯波导转换片5的左侧两个端口对准耦合。双芯波导转换片5的右侧两个端口，分别作为CWDM光环行器6的输入端①和输出端③。波分复用模块与后面的CWDM光环行器6通过双芯波导转换片5衔接，相对于常规技术方案中的光纤连接，无需在模块内部进行熔纤和绕纤，可缩小光纤收发模块的尺寸。双芯波导转换片5右侧端口处的热扩芯处理或者锥形化设计，有助于光环行器的小型化设计，可进一步减小光纤收发模块的尺寸。
本发明的小型化CWDM光环行器结构如图5和图6所示，光环行器小型化的关键是压缩其中位移晶体62和66的长度，位移晶体的长度受限于光路中的准直光斑尺寸，而准直光斑尺寸取决于入射光波导中的光斑尺寸，此处入射光波导为双芯波导转换片5的右侧端口。作光纤热扩芯处理或者波导锥形化设计之后，输出光斑尺寸增加，根据透镜对高斯光束的变换原理，经第一准直透镜61之后的准直光斑尺寸将减小，因此光环行器中可以采用更短的位移晶体62和66，位移晶体的长度可缩短至3mm左右，实现小型化设计。为了保证第二准直透镜67的聚焦光斑能有效的耦合到右侧单光纤头68中，单光纤头的端头也要相应的作热扩芯处理。单光纤头结构如图7所示，其左侧端头区域681作光纤热扩芯处理。
位移晶体的结构和偏振分光功能如图8所示，它是一种以双折射晶体材料制作的斜方体棱镜，入射的自然光或者随机偏振光，在晶体内被分开为正交偏振的o光和e光，在晶体外部则一般称为s光和p光。
渥拉斯顿棱镜的结构和光束偏折功能如图9所示，它是以双折射晶体材料制作的一对直角棱镜，两个棱镜的光轴相互垂直。p光向右上方向倾斜入射在第一片棱镜上并在其中作为o光传输，在第二片棱镜中作为e光传输，因此该光束在两片棱镜中的折射率不同，在斜面上发生折射，由右上方向偏折至水平方向传输。s光向右下方向倾斜入射在渥拉斯顿棱镜上，同理可知，其传输方向将被偏折至水平方向。根据光路可逆原理，如果p光沿水平方向从右侧入射在渥拉斯顿棱镜上，将被偏折至左下方向；如果s光沿水平方向从右侧入射在渥拉斯顿棱镜上，将被偏折至左上方向。
偏振转换组件的结构及功能如图10所示，它包括第一半波片631、第二半波片632和法拉第旋光片633，半波片631和半波片632的快轴方向分别如图所示，旋光片633的旋光角度为45度。从图10中看到，正向线偏振光依次通过半波片631和旋光片633，偏振方向旋转90度；正向线偏振光依次通过半波片632和旋光片633，偏振方向保持不变；反向线偏振光依次通过旋光片633和半波片631，偏振方向保持不变；反向线偏振光依次通过旋光片633和半波片632，偏振方向旋转90度。因此，两束正交线偏振光从左侧正向通过偏振转换组件后，变成两束平行线偏振光；两束平行线偏振光从右侧通过偏振转换组件后，变成两束正交线偏振光。
图5中标出了光环行器端口①→②的光路，从端口①即双芯波导转换片的第一根波导51输入的发散光束，首先被第一准直透镜61变换为准直光束。在俯视图中，由于端口①的位置在第一准直透镜61的轴线上侧，可以看到，准直光束以小角度向右下倾斜入射第一位移晶体62上。在侧视图中，该准直光束沿水平方向，由于入射光束是随机偏振的，该光束被第一位移晶体62分成两束正交偏振的o光和e光，在晶体外部则分别称为s光和p光。正交偏振的s光和p光，经过第一偏振变换组件63之后，变成两束平行偏振的s光。在俯视图中，这两束平行偏振的s光均向右下倾斜入射在渥拉斯顿棱镜64上，被偏折至水平方向。在侧视图中，这两束平行偏振的s光，经过第二偏振变换组件65之后，变成正交偏振的s光和p光。在第一位移晶体66中，这两束正交偏振光被重新合为一束随机偏振光，在侧视图和俯视图中均沿水平方向传输。该光束经第一准直透镜67聚焦之后，耦合至单光纤头68中，从端口②输出至外部的传输光纤，实现光信号的发射。
图6标出了光环行器端口②→③的光路，从端口②输入的发散光束，首先被第一准直透镜67变换为准直光束，在侧视图和俯视图中，均沿水平方向传输。在侧视图中，随机偏振的准直光束，在第二位移晶体66中被分成正交偏振的o光和e光，在晶体外部则分别称为s光和p光。正交偏振的s光和p光，经过第二偏振变换组件65之后，变成两束平行偏振的p光。在俯视图中，这两束p光沿水平方向从右侧入射在渥拉斯顿棱镜64上，被偏折至左下方向。这两束正交偏振的p光，从右向左经过第一偏振变换组件63之后，变成正交偏振的s光和p光，并被第一位移晶体62重新合为一束随机偏振光。这束随机偏振光在侧视图中沿水平方向，在俯视图中向左下倾斜，经第一准直透镜61聚焦在轴线下侧的端口③位置，耦合到双芯波导转换片5的第二根波导52中，实现光信号的接收。
光环行器中的偏振转换组件由一片法拉第旋光片和两片半波片组成，这两种光学元件均具有很强的波长相关性，其中法拉第旋光片对中心波长能准确的非互易旋光45度角，偏离中心波长则产生旋光角误差；半波片对中心波长是准确的半波片，能够产生互易旋光45度角，偏离中心波长也会产生旋光角误差。由于偏振转换组件的波长相关性，光环行器的隔离度呈现单峰型的波长相关性，如图11中的虚线7所示，对中心波长具有很高的隔离度，偏离中心波长则隔离度迅速下降，影响光环行器的工作带宽。这种常规光环行器的工作带宽，一般只有中心波长±20nm，不能满足4个波长CWDM传输所需的80nm带宽要求。
本发明对光环行器中的偏振转换组件进行改进设计，具体而言，其中的法拉第旋光片保持对中心波长非互易旋光45度角，而半波片则对偏离中心波长的另一个波长进行优化设计，使偏振转换组件的总和旋光角呈现双峰型曲线，如图11中的实线8所示。双峰型实线8的峰值隔离度不如单峰型虚线7，但在更宽的波段呈现高隔离度，拓展了光环行器的工作带宽。
本发明通过一个双芯波导转换芯片，衔接了集成光学技术的波分复用模块和分立元件技术光环行器，免去了二者之间的光纤连接，实现光纤收发模块的小型化。通过对光环行器的输入/输出波导作光纤热扩芯处理或者波导锥形化设计，可以采用更短的位移晶体，实现光环行器的小型化设计，进一步缩小光纤收发模块的尺寸。通过对偏振转换组件的优化设计，拓展了光环行器的工作带宽，满足4个波长CWDM传输需求。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或者替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，包括：波分复用模块、激光器阵列(3)、光探测器阵列(4)和光环行器(6)；
所述激光器阵列(3)与所述波分复用模块的第一输入端对准耦合，所述光探测器阵列(4)与所述波分复用模块的第二输出端对准耦合；所述光环行器(6)的第一端①与所述波分复用模块的第一输出端相连，所述光环行器(6)的第三端③与所述波分复用模块的第二输入端相连，所述光环行器(6)的第二端②作为所述光环行器(6)的输入输出端用于连接外部的传输光纤；
所述激光器阵列(3)用于发射多个波长的光信号；所述光探测器阵列(4)用于接收多个波长的光信号；所述波分复用模块用于将所述激光器阵列(3)发射的多波长光信号进行复用以及将从单光纤头处传来待接收的多波长光信号进行解复用；所述光环行器(6)中光信号只能沿着第一端、第二端和第三端的顺序进行单向传输，反向传输的光信号将被隔离。
2.如权利要求1所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述波分复用模块包括：波分复用器(1)、波分解复用器(2)、第一双芯波导转换片(51)和第二双芯波导转换片(52)；
所述波分复用器(1)的输入端作为所述波分复用模块的第一输入端，所述第一双芯波导转换片(51)的一端与所述波分复用器(1)的输出端连接，所述第一双芯波导转换片(51)的另一端作为所述波分复用模块的第一输出端；
所述第二双芯波导转换片(52)的一端作为所述波分复用模块的第二输入端，所述第二双芯波导转换片(52)的另一端与所述波分解复用器(2)的输入端连接，所述波分解复用器(2)的输出端作为所述波分复用模块的第二输出端；
所述波分复用器(1)将所述激光器阵列(3)发射的多个波长的光信号进行复用，复用后的光信号输出进入第一双芯波导转换片(51)；来自传输光纤的多波长光信号经第二双芯波导转换片(52)后输入至波分解复用器(2)，波分解复用器(2)对接收到的光信号进行解复用。
3.如权利要求2所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述第一双芯波导转换片(51)和所述第二双芯波导转换片(52)均采用弯曲光纤定位槽来实现固定，并对所述第一双芯波导转换片(51)的另一端和所述第二双芯波导转换片(52)的一端均进行热扩芯处理，增大纤芯直径从而增加输出光斑尺寸。
4.如权利要求1-3任一项所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述光环行器(6)包括：第一准直透镜(61)、第一位移晶体(62)、第一偏振转换组件(63)、渥拉斯顿棱镜(64)、第二偏振转换组件(65)、第二位移晶体(66)、第二准直透镜(67)和单光纤头(68)；
由第一端①接收的发散光束被所述第一准直透镜(61)准直后入射至第一位移晶体(62)；随机偏振的入射光束被第一位移晶体(62)分成两束正交偏振光：在晶体内部称为o光和e光，在晶体外部称为s光和p光，s光和p光经过第一偏振转换组件(63)后，其中s光被旋转为p光，p光则保持偏振态不变，此时两束光变换为相同偏振的p光；两束稍向右下倾斜的p光经渥拉斯顿棱镜(64)变换为水平方向传输，入射在第二偏振转换组件(65)中，其中一束p光变换为s光，另一束p光则保持偏振态不变；两束正交偏振的s光和p光，水平入射在第二位移晶体(66)上并分别成为o光和e光，且被第二位移晶体(66)重新合为一束随机偏振光；合束后的随机偏振光束被第二准直透镜(67)聚焦并耦合进入右侧单光纤头(68)实现第一端口①至第二端口②的传输；
从单光纤头(68)入射的待接收信号依次经过第二准直透镜(67)、第二位移晶体(66)、第二偏振转换组件(65)、渥拉斯顿棱镜(64)、第一偏振转换组件(63)、第一位移晶体(62)和第一准直透镜(61)后输出至第三端口③；第三端口③稍向下偏离第二准直透镜(67)的轴线，接收稍向左下倾斜入射在第一准直透镜(61)上的光束，实现了第二端口②至第三端口③的传输。
5.如权利要求4所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述第一偏振转换组件(63)和所述第二偏振转换组件(65)结构相同，所述第一偏振转换组件(63)的总和旋光角呈现双峰型曲线。
6.如权利要求5所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述第一偏振转换组件(63)包括：第一半波片(631)、第二半波片(632)和法拉第旋光片(633)；
所述第一半波片(631)和所述第二半波片(632)的快轴方向与水平方向夹角分别为157.5°和67.5°，所述旋光片(633)的旋光角度为45度。
7.如权利要求4所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，渥拉斯顿棱镜(64)为一对光轴相互垂直的直角棱镜。
8.如权利要求4所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，所述第一位移晶体(62)和所述第二位移晶体(66)结构相同，均为斜方体棱镜。
9.如权利要求4-8任一项所述的波分复用单纤双向数据收发模块，其特征在于，对所述单光纤头(68)的端头进行热扩芯处理，使得所述第二准直透镜(67)的聚焦光斑能有效的耦合至所述单光纤头(68)中。
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